RU220273U1 - Плата для управления бионическим протезом - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области биопротезирования. Устройство предусмотрено для подключения к бионическому протезу руки человека и установки внутрь его корпуса. Устройство представляет собой печатную плату с установленными на ней электронными компонентами. Структурно устройство состоит из 3 блоков: блока управления бионич. протезом, блока контроля питания и блока датчиков тока. Плата выполняет функции управления бионич. протезом и контроля аккумуляторной батареи. Функции управления протезом включают в себя чтение и обработку сигналов с миографических датчиков, установленных на сохраненной части руки, а также управление двигателями, приводящими в движение бионич. протез. Функции контроля батареи включают в себя защиту от перегрева и защиту от глубокого разряда.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области медицинской техники, а именно к биопротезированию, в частности устройство предусмотрено для подключения к бионическому протезу руки человека и установки внутрь его корпуса. А также возможно применение полезной модели в области обучения техническим и биомедицинским наукам в качестве системы управления образовательных стендов и макетов.

Уровень техники

В настоящее время из известного уровня техники существуют многочисленные описания бионических протезов в целом, но небольшое число описаний системы управления бионических протезов, как отдельного устройства, выполняющих задачи управления бионическим протезом. Известно, что существует модуль регистрации и первичной обработки биопотенциалов (RU 204901 U1, 17.06.2021), который может использоваться в системах управления бионическими конечностями. Данное устройство отличается тем, что обеспечивает регистрацию, первичную обработку и усиление сигналов с ЭМГ или ЭЭГ датчиков и может быть подключено к внешнему микроконтроллеру, а также снабжен блоком инверсии сигнала синфазной помехи в качестве средства подавления синфазной помехи и блоком буферизации входных сигналов в виде двух буферов, подключенных входами к упомянутым контактным элементам, а выходами - к соответствующим входам инструментального усилителя и входу блока инверсии сигнала синфазной помехи, при этом выход блока инверсии подключен к контактному элементу, введенному в устройство для обеспечения обратной связи, обеспечивающей замыкание инвертированного сигнала синфазной помехи с выходов буферов на тело пользователя, выход АЦП и шина данных цифрового потенциометра соединены общей шиной данных SPI. Недостатком аналога является отсутствие микроконтроллера для конечной обработки и анализа сигнала с датчиков и расчета управления электродвигателями бионического протеза.

Также существует аналог, описанный в патенте RU 2635632 С1, 14.11.2017, в котором осуществляется обработка ЭМГ-сигнала; передача набора признаков ЭМГ-сигнала в систему управления интеллектуальной бионической конечностью; определение типа жеста на основании набора признаков ЭМГ-сигнала посредством использования искусственной нейронной сети; формирование управляющего сигнал на основании определенного типа жеста и передача на двигатели, приводящие в движение пальцы бионической конечности. В этом аналоге обеспечивается простая схема усиления сигнала с использованием инструментального усилителя и «драйвера правой ноги» (инверсия сигнала синфазной помехи) с фиксированным коэффициентом усиления. Недостатком аналога является то, что система управления интеллектуальной бионической конечностью состоит из многочисленных блоков, соединенных между собой гибкими шлейфами и расположенных на расстоянии друг от друга в различных частях бионической конечности, что снижает надежность системы и помехозащищенность линии передачи сигналов, а также увеличивает общие размеры системы управления.

Наиболее близким прототипом является система управления протезом, описанная, как часть бионического протеза кисти руки в патенте RU 176303 U1, 16.01.2018. Система управления протезом выполнена в виде микропроцессорной системы и включает в себя микроконтроллер управления протезом и соединенные с ним управляющие драйверы электроприводов систем сгибания пяти пальцев, датчики угла сгибания пяти пальцев, тензометрические датчики усилия схвата, датчик смещения поверхности удерживаемого протезом предмета привод устройства блокировки 2 поворотного основания первого пальца, сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами, интерфейсы для приема биоэлектрических сигналов управления, средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза, устройство электропитания. А также устройство обладает размерами, позволяющими установку внутрь ладони бионического протеза. Однако, недостатком данной системы является отсутствие блока управления автономным питанием, включающим в себя субблок зарядки, субблок контроля напряжения и субблок преобразования напряжения питания.

Раскрытие сущности

В последние годы в связи с развитием современной микроэлектронной базы появилась возможность минимизировать размеры и вес медицинской аппаратуры, в том числе бионических протезов. Бионические протезы постепенно приходят на смену традиционным, не позволяющим человеку контролировать движения искусственных пальцев рук. Одним из компонентов, влияющих на крупные габариты и большой вес протеза, является аппаратура управления бионическим протезом. Таким образом, при достижении снижения габаритных размеров и веса аппаратуры, можно добиться улучшения пользовательских характеристик всего изделия.

Следовательно, была поставлена техническая задача разработки устройства управления бионическим протезом, выполненного в виде платы с размерами не более 70×40×10 мм, весом не более 20 грамм и выполняющего функции:

управление 6 электродвигателями;

получение данных от 6 электромиографических (ЭМГ) датчиков, 6 датчиков тока и 6 датчиков положения электродвигателей;

формирование напряжений питания для работы электродвигателей (+5 В) и микроконтроллера (+3,3 В);

управление зарядкой аккумуляторной батареи (АКБ) типа 2S2P (две ячейки последовательно, две параллельно) от источника напряжения 10 В;

защита АКБ от разряда ниже допустимых значений (3 В) и обеспечение выхода из этого состояния при последующей зарядке;

активная балансировка током до 200 мА последовательно подключенных элементов АКБ;

защита от перегрева АКБ при зарядке;

управление внешней индикацией состояния процесса зарядки АКБ. Красный цвет в ходе выполнения зарядки, зеленый при успешном завершении зарядки, оба вместе при перегреве или повреждении ячеек.

При анализе рынка существующих решений не было найдено единого устройства, обеспечивающего весь необходимый функционал.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемой полезной модели, заключается в уменьшении массово-габаритных характеристик системы управления бионическим протезом и объединении всех ее компонентов в одном устройстве с добавлением функций работы с аккумуляторной батареей, что помогает улучшить помехозащищенность полезной модели.

Данная задача достигается за счет того, что полезная модель состоит из следующих функциональных блоков: блок управления бионическим протезом, основным элементом которого является микроконтроллер, позволяющий достичь минимального времени обработки сигнала с электромиографических датчиков и рассчитать сигналы для управления электроприводов бионического протеза; блок датчиков тока, позволяющий получать обратную связь по усилию на электродвигатели; в отличие от прототипа, снабжен блоком контроля питания, который разделен на функциональные субблоки: субблок аккумуляторной батареи, являющийся источником питания для автономной работы бионического протеза, субблок зарядки, выполняющий зарядку аккумуляторной батареей, субблок контроля напряжения, измеряющий с высокой точностью напряжение на 4 аккумуляторной батарее, субблок балансировки, производящий балансировку ячеек аккумуляторной батареи, субблок преобразования напряжения, формирующий напряжение питания для всего устройства. Данные блоки представляют собой электронные компоненты, установленные на печатную плату из жаростойкого текстолита, покрытую паяльной маской, по средствам пайки и электрически соединены между собой медными печатными проводниками.

Краткое описание чертежей

Сущность полезной модели позволяют раскрыть следующие чертежи:

Фиг. 1 - структурная функциональная схема,

Фиг. 2 - принципиальная электрическая схема,

Фиг. 3 - общий вид печатной платы полезной модели.

Осуществление полезной модели

Блок управления бионическим протезом 1 выполнен на базе микроконтроллера STM32F303RET6. Субблок аккумуляторной батареи 2 блока контроля питания 3 выполнен в виде 4 ячеек типоразмера 18650, 2 из которых соединены последовательно, 2 параллельно по схеме 2S2P. Вместе с ними установлен NTC терморезистор для контроля температуры ячеек. В субблоке контроля напряжения 2 блока контроля питания 3 были применены супервизоры MCP100T-300I/TT с током потребления 45 мкА, точностью измерения ±75 мВ. В субблоке балансировки 4 была использована микросхема LM2663 с током до 200 мА и потреблением 1,3 мА. Субблок преобразования напряжения в блоке контроля питания состоит из преобразователей напряжения на 5 В и 3,3 В. Преобразователь +5 В в субблоке преобразования напряжения питания 5 был выполнен на микросхеме ST1S10, током до 3А. Преобразователь+3,3 В в субблоке преобразования напряжения питания 5 был выполнен на микросхеме L78L33 с выходным током до 100 мА.

Блок датчиков тока 6 выполнен на микросхеме ZXCT1010 с чувствительностью 1 мВ/мА в диапазоне 10-3000 мА.

Субблок зарядки 7 выполнен на микросхеме BQ2057WSN с погрешностью регулирования напряжения 1%. Для управления током зарядки в субблоке зарядки 7 выбран р-канальный транзистор IRF4905.

Все электронные компоненты установлены на печатную плату с размерами 70×40×10 мм из жаростойкого текстолита марки FR4, покрытую паяльной маской, по средствам пайки и электрически соединены между собой медными печатными проводниками толщиной 33 мкм. Вес полезной модели в сборе составил 20 грамм.

Claims (4)

1. Плата для управления бионическим протезом, характеризующаяся тем, что состоит из следующих функциональных блоков: блок управления бионическим протезом, основным элементом которого является микроконтроллер, выполненный с возможностью обработки сигнала с электромиографических датчиков и расчета сигналов для управления электроприводами бионического протеза, блок датчиков тока, выполненный с возможностью получения обратной связи по усилию на электродвигатели, отличающаяся тем, что снабжена блоком контроля питания, который разделен на функциональные субблоки: субблок аккумуляторной батареи, являющийся источником питания для автономной работы бионического протеза, субблок зарядки, выполненный с возможностью зарядки аккумуляторной батареи, субблок контроля напряжения, выполненный с возможностью измерения с высокой точностью напряжения на аккумуляторной батарее, субблок балансировки, выполненный с возможностью производить балансировку ячеек аккумуляторной батареи, субблок преобразования напряжения, выполненный с возможностью формировать напряжение питания для всего устройства, причем данные блоки представляют собой электронные компоненты, установленные на печатную плату из жаростойкого текстолита, покрытую паяльной маской, посредством пайки и электрически соединены между собой медными печатными проводниками.

2. Плата для управления бионическим протезом по п. 1, отличающаяся тем, что субблок зарядки выполнен в виде отдельной печатной платы с возможностью подсоединения к основной плате.

3. Плата для управления бионическим протезом по п. 1, отличающаяся тем, что субблок балансировки выполнен в виде отдельной печатной платы с возможностью подсоединения к основной плате.

4. Плата для управления бионическим протезом по п. 1, отличающаяся тем, что субблоки зарядки и балансировки совместно выполнены в виде отдельной печатной платы с возможностью подсоединения к основной плате.